双通道超临界CO2煤层气井压裂器测试系统设计

刘 丁 崔春生 李新娥 王志强

（1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051）

双通道超临界CO2煤层气井压裂器测试系统设计

刘 丁1，2， 崔春生1，2， 李新娥1，2， 王志强1，2

（1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051）

针对应用超临界CO2新技术的煤层气井压裂器发热药量、液态CO2量和膜片厚度的优化问题，需要有可靠的温度和破膜压力数据作为支撑，由于目前的测压系统只能测量压力，因此设计双通道煤层气井压裂测试系统。该系统采用随压力变化速率进行变速采样的自适应采样技术和通过设定变化速率阈值来触发的随动触发技术，能够更为准确地捕获到完整数据，通过记录地址的方式实现多次采集，为多次实验提供便利。测压系统的压力量程为0～210 MPa，温度量程为0～1000℃，在膜片厚度2.5mm、液态CO2量1.45kg、发热药量120g下测得最高温度40℃，最大压力122MPa，实测证明：该系统为超临界CO2煤层气井压裂器的优化问题，提供可靠、全面的数据依据。

煤层气井压裂器；高能气体压裂技术；自适应采样；随动触发

0 引 言

煤层气是一种高效、无污染、储量丰富的新崛起资源。我国对于煤层气的开采效率却是很低，究其原因是由于我国煤储层的特殊构造。目前，煤层气的采集主要有水力压裂和高能气体压裂两种方式。由于我国的煤储层具有低渗透率、低孔隙度和低原始地层压力的特点，大大提高了水力压裂的成本，降低了开采效率而高能气体压裂技术能够产生沿着射孔眼多个径向的裂缝，且成本低，因此该技术对提高我国煤层气开采量具有重要的意义[1-4]。鉴于我国对该技术的研究尚不深入，尤其是缺乏压裂时的关键数据，因此设计了双通道超临界CO2煤层气井压裂器测试系统，该系统可以随高能气体压裂器深入地下，采集温度和压力关键数据。

1 测试原理与系统设计

超临界CO2压裂器是通过引燃发热药产生的高能气体给液态CO2加热加压，CO2在一定条件下产生相变，进入超临界状态。利用CO2在超临界状态下具有流体和气体特性的特点，以及液态CO2在发生相变时产生的高压作用在压裂器膜片上，压力达到一定值时，CO2冲破膜片使煤层产生多径向裂缝，高效地驱替出煤层中的甲烷[5-7]。压裂器结构如图1。

图1 压裂器结构图

该测试系统包括压力、温度传感器，信号调理电路，数据采集模块，数据存储模块，电池，耐高温高压的真空环氧树脂灌封技术以及上位机。测试系统的整体框图如图2所示。

图2 测试系统框图

测试仪上电后，电池通过主控模块对各模块供电。在进行测试之前，上位机可以对触发压力值、采集次数等参数进行编程，以便配置测试装置的工作状态。参数配置完成后，开始测试，由温度和压力传感器测出的模拟信号经调理模块进入数据采集与存储，其中控制模块实现对采集状态、采集速度的控制以及和上位机之间数据的交互。测试完毕后，由上位机读取存储模块的数据，并且可以对其进行简单的处理，方便数据查看。

2 测试系统的性能指标

由于该压裂器采用高能气体压裂的方式，因此测试系统要工作在高温高压的环境中，基于本实验室多年对恶劣环境下动态测试系统的研究，以及需要对射孔过程的动态压力和温度的采集，因此选用了动态存储的方法。针对测试系统的工作环境进行设计，选用屈服极限为2000MPa的18Ni马氏体时效钢作为壳体材料，选用9002GA/B型环氧树脂作为灌封材料，并用两道含氟密封O型圈对螺纹处进行密封，对电池进行灌封处理，增强其抗高温高压的能力。经过实际测试，达到了各项测试要求。表1为测试系统的性能指标。

3 测试系统关键技术

3.1 触发方式

测试系统最重要的指标是准确地采集到数据，因此测试系统的触发方式极为重要，既不可误触发，也要捕捉到压裂时瞬变压力和温度的完整数据。由于煤层气井的特殊环境，井深不同，煤层内的静压也会不同。采用绝对压力触发，容易导致误触发，从而采集到的数据不完整或没采到，因此本测试系统改进之前的绝对压力触发采用随动触发的的方式,它是根据井下压力变化的快慢来判断是否触发，当压力变化率达到一定值时，进入触发状态。

表1 性能指标

系统开始工作后，比较器会引入两路信号，其中一路为实时压力信号P0，另一路则通过缓存模块（FIFO），将Δt时间之前的压力值P1接入，然后通过比较两者之间差值是否大于触发压力值P，来判断是否触发，如公式P0＞P1+P。如果满足该公式，则进入触发状态，否则继续比较直到触发。触发原理框图如图3所示。

图3 触发原理框图

3.2 采样策略

测试仪随着压裂器进入较深的井下，由于下井过程较为缓慢，而高能气体射孔压裂时，压力和温度发生瞬变，如果保持一种采样速率会导致数据冗余，因此设计了自适应采样方式。由采样定理可知采样速率需要大于被测频率的2倍，工业级的一般为5～10倍[8-13]。因此下井过程中采样速率为1Hz（低速）；触发后为高能气体的脉冲信号，频率范围由经验公式可以得出，其中T为脉冲宽度，已知脉冲宽度在毫秒级，由此可推测出频率在8Hz～10kHz之间，所以触发后采样速率为100 kHz（高速）；脉冲信号过后，会存在较长的恢复期，此时压力和温度的变化就会相对缓慢，因此采用500Hz（中速）的采样速率。

图4 流程图

该功能是由主从两片430单片机来实现，开始采集后主单片机来判断触发并控制另一片的采集状态，从单片机则控制采集速率，将数据存入Flash存储芯片内，采集完成后会判断触发次数，未达到次数进入低速采集等待触发，达到后结束采集。流程图如图4所示。

3.3 存储方式

根据采样策略可以知道如果只存储触发后的数据，会有部分数据丢失，因此采用了负延时技术保证数据的完整性。由于采样速率的变化，传统的负延时技术容易丢失数据，本系统采用了FIFO芯片来进行负延时，保证了数据的完整。

对FIFO芯片编程当存储的数据达到2KB时，会发出半满标志，PAF端口由高变低，单片机接收到该电位变化时会进行触发状态的检测，如果未触发，则先清除1 KB的数据并读取2 B数据送到比较器进行随动触发的判断；如果触发，则进入触发状态，FIFO内的数据直接进入Flash芯片。因此，该负延时技术至少有1KB的缓存数据。已知被测信号脉冲为毫秒级，所以足以保证数据的完整性。系统还设置了多次存储，当完成一次存储后，如果未达到采集次数则会记录当前的存储地址，下一次采集直接跳转到该地址继续存储。负延时流程如图5所示。

4 灌 封

测试仪器中的电路需要灌封处理，考虑到恶劣的工作环境，必须要选择耐高温高压的材料，因此选择了9002GA/B灌封材料。灌封材料主要起缓冲作用，减小高压对电路的损坏。为了增强缓冲效果，本次灌封采用了真空灌封技术，去掉由于操作原因产生的气泡，从而排除气泡干扰，增强效果。

图5 负延时流程图

图6 实验数据

5 实测数据与分析

针对超临界CO2煤层气井压裂器的优化进行过多次模拟实验，主要是不同装药量、不同CO2量以及不同厚度的膜片。某次模拟实验在空旷的场地进行，温度为27℃。图6是该实验的数据，试验膜片厚度2.5mm，液态 CO2量 1.45kg，发热药量120g，实验结果膜片成功冲破。

当温度和压力值分别达到31.26℃、72.9 atm（1atm=101.325kPa）时，CO2会处于超临界状态，正是利用此状态来达到压裂的目的。由实验结果可以看出，在40 ms左右压力达到了峰值122 MPa，温度较压力上升的慢，在80ms左右达到了40℃，利用压力和温度存在的时间差，液态CO2可以顺利进入裂缝驱替出煤层气。煤体的破裂压力为25 MPa，成功压裂煤体。从图中看到，在150 ms左右压力下降到该值，因此压力作用时间约为110 ms。压力没有迅速下降是由于压裂器长筒型壳体对CO2喷射速度的限制导致；发热药的迅速燃烧会释放大量的热，液态CO2在相变和喷射过程中，会吸收大量的热，从而两者的变化达到平衡，因此出现了温度较为平缓的部分。

6 结束语

本文针对超临界CO2煤层气井压裂器利用CO2的相态变化设计了该测试系统。较之前的单通道测压器，该系统采用随动触发和自适应采样技术可以多次更准确地采集全方面完整的温度压力数据。多次模拟实验结果表明，该测压系统为压裂器的优化提供了可靠的数据支撑，对压裂器下一步的发展提供了方向。

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（编辑：徐柳）

Design of the double channel test system for fracturing device of coal-bed methane well with supercritical CO2

LIU Ding1，2， CUI Chunsheng1，2， LI Xin'e1，2， WANG Zhiqiang1，2
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory for Instrument Science and Dynamic Test of Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

With regard to the optimization of the calorific value，liquid CO2amount and thickness ofdiaphragm ofcoal-bed methane wellfracturing device with the new supercriticalCO2technology，reliable temperature and diaphragm cracking pressure data shall be taken as the basis.Because current pressure measurement system could only measure the pressure，the double channel test system of coal-bed methane fracturing device is designed.The system adopts the adaptive sampling technology that has adaptive sampling according to the change rate of pressure and the dynamic triggering technology that triggers by setting the rate of change of the threshold to capture complete data more accurately.The system realizesthe repeated acquisition by recording the address，which facilitates the implementation of several experiments.The pressure range of the test system is 0-210 MPa， the temperature range is 0-1 000℃ and the maximum temperature is 40℃and the maximum pressure is 122 MPa when the diaphragm thickness is 2.5 mm，the liquid CO2amount is 1.45kg and the calorific value is 120g.Results show that the system provides overall and reliable data basis for the optimization of the fracturing device for coal-bed methane well with supercritical CO2.

coal-bed methane fracturing device； high energy gas fracturing technology； adaptive sampling；dynamic triggering

A

1674-5124（2017）11-0079-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.11.016

2017-02-13；

2017-04-19

山西省煤层气联合研究基金资助项目（201301210）；山西省回国留学人员科研资助项目（2014052）

刘 丁（1993-），河北保定市人，硕士研究生，专业方向为动态测试与智能仪器。